Recently, high-transition-temperature (high-Tc) superconductivity was discovered in the iron pnictide RFeAsO(1-x)F(x) (R, rare-earth metal) family of materials. We use neutron scattering to study the structural and magnetic phase transitions in CeFeAsO(1-x)F(x) as the system is tuned from a semimetal to a high-Tc superconductor through fluorine (F) doping, x. In the undoped state, CeFeAsO develops a structural lattice distortion followed by a collinear antiferromagnetic order with decreasing temperature. With increasing fluorine doping, the structural phase transition decreases gradually and vanishes within the superconductivity dome near x=0.10, whereas the antiferromagnetic order is suppressed before the appearance of superconductivity for x>0.06, resulting in an electronic phase diagram remarkably similar to that of the high-Tc copper oxides. Comparison of the structural evolution of CeFeAsO(1-x)F(x) with other Fe-based superconductors suggests that the structural perfection of the Fe-As tetrahedron is important for the high-Tc superconductivity in these Fe pnictides.

Antiferromagnetism is relevant to high temperature (high-Tc) superconductivity because copper oxide and iron arsenide high-Tc superconductors arise from electron- or hole-doping of their antiferromagnetic (AF) ordered parent compounds. There are two broad classes of explanation for the phenomenon of antiferromagnetism: in the local moment picture, appropriate for the insulating copper oxides, AF interactions are well described by a Heisenberg Hamiltonian; while in the itinerant model, suitable for metallic chromium, AF order arises from quasiparticle excitations of a nested Fermi surface. There has been contradictory evidence regarding the microscopic origin of the AF order in iron arsenide materials, with some favoring a localized picture while others supporting an itinerant point of view. More importantly, there has not even been agreement about the simplest effective ground state Hamiltonian necessary to describe the AF order. Here we report inelastic neutron scattering mapping of spin-wave excitations in CaFe2As2, a parent compound of the iron arsenide family of superconductors. We find that the spin waves in the entire Brillouin zone can be described by an effective three-dimensional local moment Heisenberg Hamiltonian, but the large in-plane anisotropy cannot. Therefore, magnetism in the parent compounds of iron arsenide superconductors is neither purely local nor purely itinerant; rather it is a complicated mix of the two.

The crystal and magnetic structures of single-crystalline hexagonal LuFeO(3) films have been studied using x-ray, electron, and neutron diffraction methods. The polar structure of these films are found to persist up to 1050 K; and the switchability of the polar behavior is observed at room temperature, indicating ferroelectricity. An antiferromagnetic order was shown to occur below 440 K, followed by a spin reorientation resulting in a weak ferromagnetic order below 130 K. This observation of coexisting multiple ferroic orders demonstrates that hexagonal LuFeO(3) films are room-temperature multiferroics.

We report a comprehensive investigation of the lattice and magnetic structure in van der Waals antiferromagnet ${\mathrm{VBr}}_{3}$, characterized by a ${\mathrm{BiI}}_{3}$-type structure at room temperature. Neutron diffraction experiments were performed on both polycrystalline and single-crystalline ${\mathrm{VBr}}_{3}$ samples, revealing clear magnetic Bragg peaks emerging below the N\'eel temperature of ${T}_{N}=26.5$ K. These magnetic Bragg peaks can be indexed by $\mathbit{k}=(0, 0.5, 1)$ in hexagonal notation. Our refinement analysis suggests that the antiferromagnetic order in ${\mathrm{VBr}}_{3}$ manifests as a zigzag structure. Moreover, we observed peak splitting for nuclear Bragg peaks in the HK plane below the structure transition temperature of ${T}_{S}=90.4$ K, indicating the breaking of threefold symmetry within the $ab$ plane.

Inelastic neutron scattering measurements on VI${}_{3}$, a two-dimensional ferromagnetic Mott insulator, reveal distinct anisotropic magnetic excitations that are described by a model with large bond-dependent Kitaev interactions.

Elucidating spin correlations in the parent compounds of high-temperature superconductors is crucial for understanding superconductivity. We used neutron scattering to study spin correlations in Li1−xFexODFeSe, an insulating material with reduced electron carriers compared to its superconducting counterpart (Tc=41 K), serving as the undoped parent compound. Our findings show a reduced total fluctuating moment in this insulator relative to FeSe and 122 iron pnictides, likely due to increased interlayer distances from intercalation, which enhance fluctuations and reduce the intensity of spin excitations. Moreover, we observed a V-shaped spin wavelike excitation dispersion, contrasting with the twisted hourglass pattern in the superconducting counterpart. Electron doping shifts spin excitation from (π,0) point to an incommensurate position towards (π,π) direction below 65 meV. This transition from V-shaped to hourglasslike dispersion, akin to behaviors in hole-doped cuprates, suggests a potential shared mechanism in magnetism and superconductivity across these diverse systems. locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon Physics Subject Headings (PhySH)Electronic structureSpin fluctuationsSuperconductivityStrongly correlated systemsInelastic neutron scattering